锂离子电池内短路诱发热失控机制研究

锂离子电池凭借其优良的性能已广泛应用于电子产品、电动汽车和储能系统等领域,然而由于锂离子电池主要由易燃电解液和活性电极材料组成,在滥用条件下很容易引发电池自放热反应从而导致电池热失控甚至起火爆炸,这正是锂离子电池安全事故时有发生而不能杜绝的根本原因。

内短路是一种常见的锂离子电池热失控成因,与过充、过热和外短路等电池热失控的成因相比,内短路造成的危害更大、监测和预防难度更大且更易发。

锂离子电池内短路的常见诱因有机械滥用(针刺、挤压和重物冲击等)、生产缺陷和锂枝晶生长。

为了进一步揭示锂离子电池的内短路机理,本文采用实验手段和有限元数值模拟方法对针刺和锂枝晶导致的锂离子电池内短路过程进行了研究。

本文首先使用实验和数值模拟对传统钢针针刺导致的锂离子电池内短路过程进行了研究,分析了电池荷电状态、刺针直径和针刺速度等参数对电池温升的影响,并对电池内部各热源产热功率和刺针散热功率进行了研究。

结果显示传统钢针导致的锂离子电池内短路过程中,刺针扮演两方面的作用,决定短路电流和散热。

一方面,刺针直径越大则短路电流和焦耳产热功率愈大;另一方面,刺针直径越大其从短路点散热的能力也越大。

针刺时电池极耳电压随时间呈指数衰减,电压的波动和回升是由短路电流突降导致的过电势造成的。

未热失控情况下电池内部的总产热量主要由短路点的焦耳产热贡献。

基于对传统钢针导致电池内短路过程的研究结果,本文提出了一种用低导热系数和低电导率的聚甲醛材料制作的电池针刺测试刺针,并采用针刺实验和数值模拟相结合的方法分析了聚甲醛刺针和传统的钨钢针触发电池内短路时电池电热响应的区
别,比较了这两种刺针在电池内短路过程中所扮演角色的差异。